矩阵LED调光器可在RGBW LED中实现精确的色彩控制和图案制作

RGB LED 用于需要高效、明亮输出的投影仪、建筑、显示器、舞台和汽车照明系统。为了从 RGB LED 产生可预测的颜色，其每个组件 LED（红色、绿色和蓝色）都需要单独、精确的调光控制。高端系统可以使用光反馈回路，允许微控制器调整LED以提高颜色精度。将白色 LED 添加到 RGB LED 以产生 RGBW LED，从而扩展了颜色系统中可用的色调、饱和度和亮度值。每个 RGBW LED 都需要对四个分量 LED 进行精确调光。两个 RGBW LED 需要八个“通道”。

驱动和调暗 RGBW LED 的一种方法是使用四个独立的 LED 驱动器，每种颜色（R、G、B 和 W）一个。在这样的系统中，每个单独的LED或灯串的LED电流或PWM调光由单独的驱动器和控制信号驱动。但是，在此解决方案中，LED驱动器的数量随着RGBW LED的数量而迅速增加。任何具有大量RGBW LED的照明系统都需要大量的驱动器，并将控制信号同步到这些驱动器。

一种更简单（也更优雅）的方法是使用单个驱动器/转换器以固定电流驱动所有LED，同时使用并联功率MOSFET矩阵对单个LED进行PWM调暗以进行亮度控制。这是LCD显示器中晶体管的模拟等效物，其中允许开关数量成倍增加，同时控制控制器的数量。此外，用于控制调光矩阵LED的单个通信总线使RGBW混色LED系统相对容易生产，同时提供宽色域。

LT3965矩阵LED调光器可实现这种设计，如图1所示。每个 LT3965 8 开关矩阵调光器能够与两个 RGBW LED 正好配对，从而允许在 0% 和 100% 亮度之间以 1/256 的 PWM 步长控制每个 LED 的单独亮度（红色、绿色、蓝色和白色）。双线 I2C 串行命令为所有八个通道提供颜色和亮度控制。我2LT3965 的 C 串行代码确定所有 8 个 LED 的亮度状态，并可在发生故障时检查 LED 开路和短路。

图1.LT3965 矩阵 LED 调光器与 LT3952 升压-降压型 LED 驱动器配合使用，用于控制两个 500mA RGBW LED 上的单个颜色，以实现串行控制的颜色和图案。

矩阵式 LED 混色器，采用 LT3952 升压-降压转换器

矩阵调光器需要一个合适的 LED 驱动器，以便从各种输入为八个 LED 串供电：标准 12V ±10%、9V–16V（自动）或 6V–8.4V（锂离子）。其中一种解决方案是 LT3952 升压-降压型1LED 驱动器，可对输入至 LED 电压进行升压和降压，同时提供低纹波输入和输出电流。由于其浮动输出拓扑中很少或没有输出电容，它可以对 LED 电压的变化做出快速反应，因为各个 LED 都经过 PWM 调光以控制颜色和亮度（图 2）。

图2.RGBW 500mA LED 电流由 LT3965 矩阵调光器进行 PWM 调光和相位处理，以创建颜色和图案。LT®3952 升压-降压型转换器 / LED 驱动器可在各个 LED 进行 PWM 调光时轻松跟上 LED 电压的快速变化。

图 1 所示的 LT3952 500mA 升压-降压型 LED 驱动器与 LT3965 8 开关矩阵 LED 调光器和两个 RGBW 500mA LED 配对。这种新型升压-降压拓扑可在 0V 至 8 个串联 LED 的整个范围内平稳运行，电压范围为 0V 至 25V。瞬时串联 LED 电压变化，由矩阵调光器在任何给定时刻启用和禁用的 LED 数量决定。此转换器/拓扑的 60V OUT 电压（V 的总和在和 V发光二极管）和转换器占空比的额定值为6V至20V的全输入范围和0V至25V的输出范围（LED串联电压），500mA。

这种升压-降压浮动输出电压拓扑可与 LT3965 矩阵调光器很好地配合使用。矩阵调光器通过并联功率 MOSFET 分流 LED 来控制 LED 亮度。

LED 不需要接地。只要 V在LT3965 的引脚连接到 SKYHOOK（其至少比 LED 高 7.1V），因此所有并联 MOSFET 都能正常工作。SKYHOOK 可以使用开关转换器的电荷泵创建，也可以为其提供比预期最高 LED 电压至少高 7.1V 的稳压电源（在本例中为 20V V++在最大值加上最大 25V LED）。采用 3mm × 2mm DFN 的微型 LT8330 升压转换器是产生 SKYHOOK 的不错选择。

可选的外部时钟器件用于以350kHz同步系统，适用于汽车环境，相对高效，并允许使用紧凑型组件。虽然该系统同样可以在2MHz（高于AM频段）下工作，但350kHz（低于AM频段）使该升压-降压转换器能够在所有LED被矩阵调光器短路且LED串电压降至330mΩ • 500mA • 8 = 1.3V时进行调节，而无需跳脉冲。该频率还支持高调光比，无可见的 LED 闪烁。

由于每个 RGBW LED 都设计为单点光源，因此红光、绿光、蓝光和白光组合在一起可产生多种颜色，并具有饱和度、色调和亮度控制。每个 LED 可以以 1/256 步长设置在零 （0/256） 和 100% （256/256） 之间。矩阵调光器可以使用单通道串行命令在有或没有内部淡入淡出功能的情况下改变PWM调光电平。

精确的 0–256 RGBW 色彩和亮度控制

RGBW LED 可以通过对单个组件红色、绿色、蓝色和白色 LED 进行 PWM 调光来产生准确的颜色和亮度。单独的 PWM 亮度控制可以支持 256：1 或更高的调光比。PWM调光的替代方法是简单地降低每个LED的驱动电流，但这种方法的精度会受到影响，只允许10：1的调光比，并且LED本身会产生颜色漂移。使用PWM调光的矩阵调光方法在颜色和亮度精度方面优于驱动电流方案。

LED驱动器（500mA LED电流的来源）的带宽和瞬态响应会影响色彩精度。这款紧凑型升压-降压转换器具有超过 10kHz 的交越频率和很少或没有输出电容，可在矩阵调光器打开和关闭开关时对驱动 LED 数量的变化做出快速反应。

为了说明这对精度的重要性，红色、绿色和蓝色LED在不同的PWM占空比下单独运行，并使用RGB光学传感器测量光输出。图 3 中的结果显示了从 4/256 到 256/256 的每种颜色的均匀斜率，低于该斜率的斜率略有变化。当然，红色、绿色和蓝色 LED 的颜色并不完美，因此即使只有一个被驱动，其他频段的一些颜色也会偷偷溜走。总体而言，这是一个高度精确的系统。

图3.当与图 1 中的 LT3952 升压-降压型 LED 驱动器配对时，红色、绿色、蓝色和白色亮度控制与矩阵 LED 调光器控制的 0–256 （共 256 个）PWM 调光占空比的比较。

使用一个非常高带宽 （>40kHz） 降压型转换器版本的 LT3952 LED 驱动器可将准确度提高至 1/256，但这涉及增加另一个升压型转换器以产生一个稳定的大于 30V 输出电压的费用，或者具有一个高于 30V 的输入电压源。除非需要在低光下实现高精度，否则几乎没有理由通过增加一个额外的转换器来放弃升压降压的多功能性、简单性和紧凑的尺寸。

此处描述的矩阵变暗RGBW LED混色器系统可实现宽色域，如图4所示。添加其他颜色（如琥珀色）可以扩展色域。带有琥珀色 LED 组件的 RGBWA LED）可以产生 RGBW LED 无法产生的深黄色和橙色。这些 LED 也可以使用矩阵调光器驱动，但矩阵调光器的八个通道与两个 RGBW LED 匹配良好。

图4.RGB LED 具有宽色域。添加白色是简化特定颜色算法混合的一种方法。在某些混合方案中，白色用于改变饱和度，而红色、绿色和蓝色则设置色调。

LT3965 的 256 级调光方案可轻松转换为典型的 RGB 绘画程序和常见的颜色混合算法。例如，如果您打开一个标准的 PC 绘画程序，您将看到使用 256 值 RGB 系统混合颜色。

例如，图2中的LED电流波形从RGBW矩阵LED系统产生紫色光，该系统由基于PC的基本油漆程序控制。由于本文描述的设计产生精确的电流驱动和PWM控制，因此可以通过调整组件LED的占空比来预测RGBW LED进行颜色校准，从而轻松考虑LED亮度的固有变化。

LED 打开或熄灭的启动顺序

LT3965 矩阵调光器系统可设置为在所有 LED 打开或关闭时启动。在所有 LED 关闭的情况下启动允许它们柔和地淡入淡出或以编程的颜色和亮度启动，例如亮度为 10% 的绿蓝色。如果在串行通信开始告诉调光器该怎么做之前，所有LED都以全500mA电流启动，则在串行通信开始之前可能会观察到全亮的“白光”。

无论采用哪种启动方法，LT3965 都应在接收 I 之前上电2C 串行通信，或者在执行上电复位 （POR） 时初始通信可能会丢失。当EN/UVLO引叉超过1.2V门限时，就会发生POR。由于此电压基于 SKYHOOK 至少比 LED 高 7.1V，因此在施加高 SKYHOOK 电压（例如来自小型升压稳压器的 55V）之后的任何时间都会发生这种情况，或者也可能在来自 LT3952 开关节点的电荷泵浦电压足够高以产生 SKYHOOK 之后发生。在充电泵浦 SKYHOOK 的情况下，LED 电流可能存在于充电泵浦 SKYHOOK 之前，因此 LED 在 LT3965 开关关闭 LED 之前亮起。对于希望 LED 打开全亮度以启动的设计师来说，这是一个简单的解决方案。+

要启动 LED 关闭，在 LT3952 接通之前，SKYHOOK 必须处于一个高电压状态。如图 6 所示，如果 PWM 引脚在启动期间保持低电平，则 LT3952 将不会启动，直到外部电源 （例如主微控制器） 命令它启动。单片机可以发送I2一旦 SKYHOOK 存在，C 设置命令就会向 LT3965 发出，并在电流流向 LT3965 之前将其开关设置到 LED OFF 位置。然后，在建立之后，可以对 LT3952 PWM 置位，并且电流开始流过短路的 LT3965 开关，而 LED 则关闭。在此之后，可能会发生淡入淡出，或者 LT3965 调光器可以跳转到特定的颜色或亮度。

图6.使用此顺序启动矩阵 LED 调光器混色器，所有 LED 熄灭。

在复位时，必须再次将 LT3952 的 PWM 拉低以将其关断并在 LED 关断位置重新启动。在图1中，一个简单的微功耗升压（如LT8330）可以从6V–20V输入提供55V电压。微控制器通过置位 ALERT 标志接收 LT3965 已上电并准备接收串行通信的信号。在任何开关短路之前，通过LED的零电流显示为开关两端的零电压 - 解释为短路故障并报告为短路故障。只有在 LT3965 由 SKYHOOK 上电后，才会断言该标志。

结论

LT3965 矩阵 LED 调光器可与 LT3952 升压-降压型转换器配对，以形成一个准确颜色的 RGBW LED 颜色混合器系统。它可用于从 6V 至 20V 输入以 500mA 电流和 350kHz 开关频率驱动两个 RGBW LED。这种多功能系统可以使用汽车电池、12V 电源或锂离子电池供电。

正在申请专利的升压-降压 LED 驱动器拓扑的快速瞬态响应以及通过 256：1 I 实现的可预测调光控制可实现高色彩精度2C控制矩阵系统。它可以设置为在所有 LED 关闭的情况下启动，并且可以淡入淡出以启动或跳转到特定颜色。虽然不是必需的，但可以添加光学反馈（通过微控制器）以提高色彩精度。

审核编辑：郭婷